Multimetall Material Jetting mit Kupferwerkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfram Volk
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524939160

Technisch reines Kupfer besitzt eine herausragende thermische und elektrische Leitfähigkeit bei jedoch vergleichsweise geringer mechanischer Festigkeit. Im Vergleich dazu weisen Kupfer-Zinn-Bronzen höhere Festigkeiten bei jedoch reduzierter thermischer und elektrischer Leitfähigkeit auf. Um die Vorteile beider Werkstoffe innerhalb eines Bauteils zu vereinen und damit spezielle Eigenschaften an der lokalen Stelle der Belastung zur Verfügung zu stellen, ist die Herstellung von Werkstoffverbunden nötig. Werden Bauteile mit hoher geometrischer Komplexität und/ oder geringe Stückzahlen gefordert, ist das zumeist nur mittels additiver Fertigungsverfahren möglich. Durch die hohe thermische Leitfähigkeit und den geringen Absorptionsgrad des Kupferwerkstoffs gegenüber den derzeit weit verbreiteten roten Laserquellen ist die Verarbeitung von Kupfer mit den gegenwärtig etablierten additiven Fertigungsverfahren wie beispielsweise Laserstrahlschmelzen schwierig. Der Material Jetting Prozess, der ohne Laserquelle und pulverförmigem Halbzeug auskommt, bietet daher ein erhebliches Potenzial zur kostengünstigen Herstellung von Multimaterialbauteilen aus Kupferwerkstoffen. Durch den Aufbau einer Bauteilschicht aus einzelnen Tropfen kann der Werkstoffwechsel prinzipiell innerhalb eins Tropfens durchgeführt werden. Dadurch könnten beispielsweise filigrane Kühlstrukturen in einem Bauteil realisiert werden, um das Thermomanagement bei Hochleistungsbauteilen gezielt zu verbessern. Zudem liegt im Vergleich zu pulverbettbasierten Verfahren nach der Bauteilherstellung kein Gemisch aus den verschiedenen Ausgangspulvern vor, welches aufwendig getrennt oder entsorgt werden muss. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll der Nachweis der prinzipiellen Herstellbarkeit von Multimaterialbauteilen im Material Jetting Prozess mit beherrschbarer Qualität des Werkstoffverbunds erbracht werden. Hierfür erfolgt zu Beginn (AP1) die Entwicklung von geeigneten Druckkopfsystemen, um Multimaterialbauteilen mit diskretem und gradiertem Materialübergang herstellen zu können. Die entwickelten Systeme werden im Anschluss (AP2) zur Untersuchung des Tropfenerzeugungsprozesses verwendet, um ein geeignetes Parameterset für eine stabile Tropfenerzeugung zu identifizieren. In darauffolgenden Arbeitspaket (AP3) erfolgt die Herstellung von Multimaterialbauteilen aus Cu-ETP und CuSn8 bei variierten Parametern. Hierbei werden verschieden Anordnungen der beiden Werkstoffe zueinander betrachte, welche auch bei möglichen späteren Anwendungen auftreten können. Die erzeugten Bauteile werden im Anschluss (AP4) charakterisiert. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Charakterisierung der Verbundzone zwischen den verschiedenen Werkstoffen. Zudem erfolgt eine virtuelle Abbildung des MJT Prozesses mittels einer Multiskalensimulation (AP5), um Erkenntnisse bezüglich der zeitlich und örtlich aufgelösten Temperaturverläufe im Bauteil während des Herstellungsprozesses zur erlangen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Philipp Lechner